电子测量技术基础3-信号发生器.ppt

第三章 信号发生器,掌握要点：1.了解信号发生器的分类与性能指标等2.掌握文氏桥及低频信号发生器的工作原理3.掌握函数信号发生器的工作原理及使用方法4.了解锁相信号发生器及合成信号发生器的工作原理,3.1 概 述 信号发生器又称信号源，它能够产生不同频率、不同幅度的正弦信号、AM/FM等调制信号以及方波、三角波、锯齿波、正负脉冲信号等，其输出信号的频率、幅度、调制度等参数均可按需要进行调节。信号发生器使用灵活，广泛应用在试验、测量、校准以及维修领域。,信号发生器的用途,信号发生器,被测设备,测试仪器,输入激励,输出响应,1.激励源 2.信号仿真 3.校准源,1.激励源,作为电气设备的激励信号。例如，激励扬声器发出声音、测试放大器的基本参数、激励超声波探头等等,2.信号仿真,信号仿真是当要研究一个电气设备在某种实际环境下所受影响时，需要施加具有与实际环境相同特性的信号。例如，1，研究高频干扰信号，就需要对干扰信号进行仿真。2，研究通信系统的性能、3，信道仿真、4，系统模型的辨识 等等,3.校准源,校准源用于对一般信号源进行校准（或比对），有时称为标准源,信号发生器的分类,按输出波形分类按输出频率范围分类 按调制类型按信号产生方式 标准信号源,按输出波形分类,按输出信号波形的不同，主要有正弦信号发生器和非正弦波信号发生器。非正弦波信号发生器又包括：函数（波形）信号发生器、脉冲信号发生器和噪声信号发生器等。实际应用中，正弦信号发生器应用最广泛。函数信号发生器也比较常用，因为它不仅可以输出多种波形，而且信号频率范围也较宽且可调。脉冲信号发生器主要用来测量脉冲数字电路的工作性能,按输出频率范围分类,按调制类型,按调制方式不同，主要有调幅(AM)、调频(FM)、调相及脉冲调制(PM)信号发生器。,有谐振法和合成法信号发生器等等。,按信号产生方式,AWG5000高性能任意波形发生器,AWG5000任意波形发生器为复杂多变的混合信号生成提供理想的解决方案。AWG5000提供模拟和数字信号混合输出性能,允许在一台仪器上同时生成数字和模拟I/Q和IF。,AFG3000任意波形/函数发生器系列,AFG3000任意波形/函数发生器系列具有12种标准波形、任意波形功能以及信号衰减选项，可满足广泛的应用需求。,3.2 信号发生器的性能指标,信号发生器的技术指标较多，针对信号发生器的用途不同，其技术指标也不相同。主要有：1.频率特性常用以下4项技术指标来描述信号发生器的频率特性。（1）有效频率范围：各项指标均能得到保证的输出频率范围。,（2）频率准确度：是指输出信号频率的实际值f与其标称值f0的相对偏差。其表达式为,（3）频率稳定度：是指其他外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对预设值变化的大小。它表征信号发生器维持工作于恒定频率的能力。又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。长期稳定度是指长时间内频率的变化，如变化时间为3小时、12小时。短期稳定度是指信号发生器经规定的预热时间后，频率在规定的时间间隔（15min)内的最大变化。定义为,（4）非线性失真和频谱纯度：实际中，信号发生器不易产生理想的正弦波。通常，用非线性失真来表征低频信号发生器输出波形的好坏，约为0.1%1%；用频谱纯度表征高频信号发生器输出波形的质量。频谱不纯的主要来源为高次谐波和非谐波。非线性失真系数定义为,或,2.输出特性（1）输出电平调节范围：低频和高频信号发生器的输出电平通常用电压电平表示，微波信号发生器则用功率电平表示。电平表示的方法可用电压，也可用分贝表示。一般输出电平并不高，但调节范围较宽，可达107。例如，HP8640B输出电平范围为+19dB-145dB。（2）输出电平准确度：一般在3%10%的范围内。（3）输出电平稳定度和平坦度：输出电平稳定度是指输出电平随时间变化的情况，而平坦度是指调节频率时输出电平幅度的变化情况。例如HP8640B的平坦度为0.5dB。（4）输出阻抗：低频信号发生器的输出阻抗有50、600、5000三种，而高频信号发生器则为50或75两种。使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。,3.调制特性（1）调制类型：通常包含如下几种类型。调幅(AM)适用于整个射频频段，但主要用于高频段。调频(FM)主要用于甚高频或超高频段。脉冲调制(PM)主要用于微波波段。视频调制(VM)主要用于电视使用的频段，即30MHz1000MHz。（2）调制频率及其范围:调制频率可以是固定的或连续可调的，可以是内调制也可以是外调制（由外部向仪器提供调制信号）。调幅的调制频率通常为400Hz、1000Hz；而调频的调制频率在10Hz110kHz范围内。,（3）调制系数的有效范围：调幅系数的范围为080%;调频的频偏通常不小于75kHz。（4）调制系数的准确度：一般优于10%。（5）调制线性度：一般在1%5%的范围内。（6）寄生调制：寄生调制是指不加调制时，信号载波的残余调幅、残余调频；或调幅时有感生的调频、调频时有感生的调幅。通常寄生调制应低于40dB。以上各项技术指标主要是对正弦信号发生器而言的，至于函数发生器、合成信号发生器、任意波形发生器等还有其他相应的技术指标，以后再予叙述。,低频信号发生器,由于被测对象的性质不同就需要不同频段的信号发生器。几乎所有的电子实验、测量和维修都需要低频信号发生器。低频信号发生器用来产生频率范围为1Hz1MHz的低频正弦信号、方波信号、三角波信号和其他波形信号。低频信号发生器以其多功能、宽量程的特点广泛应用于模拟电路的设计、测试和维修中。,低频信号发生器一般由主振器、电压放大器、输出衰减器和电压表组成，如图所示。,1 低频信号发生器的组成,1.1主振器 主振器是低频信号发生器的核心，它产生频率可调的正弦信号，它决定了信号发生器的有效频率范围和频率稳定度。低频信号发生器中产生振荡信号的方法很多，但现代低频信号发生器中主振器广泛采用RC文氏电桥振荡器，文氏电桥振荡器由RC网络和放大器组成。,该电路的振荡频率f0为,文氏电桥振荡器,图中R1、C1、R2、C2组成RC选频网络，它跨接于放大器的输入端和输出端之间，形成正反馈，产生正弦振荡，振荡频率由选频网络中的元件参数决定。为两级放大器，完成同相放大。一般取R1=R2、C1=C2则有：由上式可见，调节R的大小可以改变输出信号的频率，调节C也可以改变频率。通常R用于细调频率，C用于粗调频率范围。,RC文氏电桥振荡器工作原理：,图中的传输函数为：,当后接的放大器的电压放大倍数为Av 3，就满足了振荡器起振的幅值条件AF1。可以维持频率 f=f0时的等幅正弦振荡,RC文氏电桥振荡器如何实现选频的？,Rt、Rf稳定输出信号幅度原理：,Rt为负温度系数热敏电阻，其阻值随温度升高而减小；随流过其电流增加而减小。,当某种原因，使得：1，输出幅度增加-2,流过Rt电流增大-3,Rt电阻减小-4,电路增益减小-5,幅度减小，完成稳幅,图中运放接为同相放大器的形式，其增益为：,选频网络实际电路：,选频网络的实际电路,1.2电压放大器 电压放大器兼有隔离和电压放大的作用。隔离是为了不使后级电路影响主振器的工作；放大是把振动器产生的微弱振荡信号进行放大，使信号发生器的输出电压达到预定的技术指标，要求其具有输入阻抗高、输出阻抗低（有一定的带负载能力）、频率范围宽、非线性失真小等性能。一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。,1.3输出衰减器 输出衰减器用于改变信号发生器的输出电压或功率，通常分为连续调节和步进调节。连续调节由电位器实现，也称细调；步进调节由电阻分压器实现，并以分贝值为刻度，也称粗调。1.4电压表 输出电压表用来指示输出电压或输出功率的幅度，或对外部信号电压进行测量，可以是指针式电压表、数码LED或LCD电压表。,输出衰减器电路：,低频信号发生器的主要性能指标（一般情况）低频信号发生器的主要工作特性包括以下几项：（1）频率范围：一般为20Hz1MHz，且连续可调。（2）频率准确度：1%3%。（3）频率稳定度：一般0.4%/小时。（4）输出电压：010V连续可调。（5）输出功率：0.5W5W连续可调。（6）输出阻抗：50、75、150、600、5k等几种。（7）非线性失真范围：0.1%1%。（8）输出形式：平衡输出与不平衡输出。,XDI型低频信号发生器（1Hz-1MHz）,XDI型低频信号发生器的原理框图,超低频信号源（0.0001Hz-1000Hz),用同轴电位器改变K1、K2进行频率细调，用波段开关换接电阻R或电容C进行频率细调。由于RC取值较大，只能产生超低频的正弦信号。,微分方程：,微分方程的解：,+,+,+,一般用集成运放组成的积分器实现超低频振荡。,高频信号源（几百KH几百MH的正弦波或已调波）,高频信号源（发生器）也称为射频信号发生器，信号的频率范围在300kHz300MHz之间，广泛应用在高频电路测试中。为了测试通信设备，这种仪器具有一种或一种以上的组合调制（包括正弦调幅、正弦调频以及脉冲调制）功能。其输出信号的频率、电平、调制度可在一定范围内调节并能准确读数。,振荡器采用LC振荡器,一般改变L粗调,改变C进行细调,高频信号发生器的组成 高频信号发生器的组成如图所示。一般包括主振级、缓冲级、调制级、内调制振荡器、输出级、监测器等部分。,LC振荡器电路的三种构成形式(a)变压器反馈式；(b)电感三点式；(c)电容三点式,函数信号发生器 函数信号发生器实际上是一种宽带频率可调的多波形信号源，由于其输出波形均可用数学函数描述，故命名为函数信号发生器。它可以输出正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲波及指数波等。目前函数发生器输出信号的重复频率可达50MHz以上，还具有检测数字电路用TTL、CMOS逻辑电平输出，占空比调节等功能。它是科研生产、测试、维修和实验室必备的设备。,函数信号发生器的工作原理 函数信号发生器的原理框图如图所示，函数信号发生器为了产生各种输出波形，利用各种电路通过函数变换实现波形之间的转换，即以某种波形为第一波形，然后利用第一波形导出其他波形。近来较为流行的方案是先产生三角波，然后产生方波和正弦波等。,1.三角波产生电路 利用恒流源对电容器充电可以获得正斜率的斜波。同理，利用恒流源将电容器上储存的电荷放掉（放电）可以获得负斜率的斜波，三角波的产生就基于这个原理。,如果满足|I2|=|I1|=I，则有频率关系式,由上式可以得到如下几点结论：（1）当I1=I2时可以产生对称三角波，当电流源I1I2时，即三角波的斜升和斜降时间不等，当I1远大于I2，此时产生负斜率的锯齿波，当I1远小于I2产生正斜率的锯齿波。（2）改变电流源I或积分电容C就可以改变三角波的频率，通常以CT实现粗调，I实现细调（图中的频率控制电路就是用于实现频率微调的）。在积分电容为定值的情况下，I越小，输出信号的频率越低。信号频率不像正弦信号发生器那样受调谐元件限制，只要I的量值合适，可以使频率的下限很低，例如HP8165函数发生器的频率下限达mHz量级。这就是函数发生器能输出很低频率的原因。（3）三角波的幅度取决于上限值E和下限值E，若+E=E可得正、负幅度对称的波形。,2.正弦波形成电路 正弦波形成电路的作用是从三角波形成正弦波，是利用非线性网络将三角波“限幅”为正弦波。用二极管和电阻构成三角波的整形电路,即利用分段折线逼近的办法来实现三角波向正弦波的转换。只要将三角波ui通过一个分压网络，根据ui的大小改变分压网络的分压系数，便可得到近似的正弦波输出。,该波形变换网络实际上是以几条线段将三角波转变为正弦波，是对正弦波的逼近。通常将正弦波一个周期分成22段或26段，用10个或12个二极管组成整形网络。网络的级数越多逼近的程度就越好。实践证明，如果采用26段逼近正弦波，可以得到非线性失真小于0.5%的良好正弦波。,例：DF1642的构成框图:,正恒流源,负恒流源,电子开关,积分电路,电压比较电路,正弦波变换器,方波输出,三角波输出,正弦波输出,DF1641C 函数信号发生器,3 函数信号发生器的主要性能指标(1)输出波形：通常输出波形有正弦波、方波、脉冲和三角波等波形，有的还具有锯齿波、斜波、TTL同步输出及单次脉冲输出等。(2)频率范围：函数发生器的整个工作频率范围一般分为若干频段，如110 Hz、10100 Hz、100 Hz1 kHz、110 kHz、10100 kHz、100 kH1 MHz等波段。,(3)输出电压：对正弦信号，一般指输出电压的峰-峰值，通常可达10UP-P以上；对脉冲数字信号,则包括TTL和CMOS输出电平。(4)波形特性：不同波形有不同的表示法。正弦波的特性一般用非线性失真系数表示，一般要求小于等于3%；三角波的特性用非线性系数表示，一般要求小于等于2%；方波的特性参数是上升时间，一般要求小于等于100 ns。(5)输出阻抗：函数输出50；TTL同步输出600。,合成信号发生器,前面各组成方案存在的缺点:,模拟直接合成法,数字直接合成法,解决办法:频率合成器,直接合成法,间接合成法(锁相合成法),频率准确度10-210-4,频率稳定度低.,频率准确度10-910-12,直接法介绍：,模拟直接法是采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算实现。,例如，我们想要得到频率为4.735MHz，我们使用的基准频率为1MHz，通过谐波发生器产生十个谐波，分别进行混频、倍频和分频进行频率的合成。,4.735MHz,1MHz,3.5MHz,3.5MHz,0.35MHz,7.35MHz,0.735MHz,直接合成法缺点：由于采用混频等电路会引入很多寄生频率分量，带来相位杂散，因此必须采用大量滤波器以改善输出信号的频谱纯度。这样将导致电路庞大、复杂、不易集成，这是直接模拟合成法的一大弱点。,锁相频率合成的基本方案锁相环(phase locked loop,PLL),间接法：应用锁相技术,锁相环可以看作为中心频率能自动跟踪输入基准频率的窄带滤波器。在锁相环内加入相应电路就可以对基准频率进行算术运算，产生各种频率。,鉴相器（PD），用来比较鉴别两个输入信号的相位关系，其输出电压与两信号的相位差成比例关系，亦称相位比较器。低通滤波器（LPF）是用来滤除相位比较器输出电压中的高频成分和噪声，以稳定环路工作和改善环路性能。压控振荡器（VCO）的振荡频率可用电压控制，其振荡频率随施加其上的偏压而变化，故叫压控振荡器。,1.锁相环的工作过程如下：1.压控振荡器VCO输出频率f0反馈至鉴相器，在此与基准频率fr(由晶体振荡器产生)进行相位比较。2.鉴相器PD的输出V与两个信号频率（fr和f0）的相位差成正比。3.V经过LPF之后得到缓慢变化的直流分量VF控制VCO。当环路稳定时，VCO的输出频率 f0=fr 可见，锁相环的输出频率（f0）和基准频率（fr）具有同等稳定度，也可以说输出频率的稳定度可以提高到晶体振荡器（10-8）的水平，这是RC、LC振荡器所不及的。,2 锁相环的频率合成方法 在锁相环反馈回路中加入有关电路就可实现对基准频率fr进行各种运算，得到各种所需频率。,f0,上图为倍频式锁相环，反馈支路接入N分频器，因此在环路锁定时f0N=fr，得,(1)倍频环,(2)分频环,上图为分频式锁相环，反馈支路接入XN倍频器，因此在环路锁定时f0XN=fr，得,(3)混频环,思考:BPF作用是什么?,提高合成信号的频谱纯度,消除由于混频作用而引入的组合干扰.,当环路稳定时有f0+fr2=fr1,故得,f0=fr1-fr2,间接合成法（锁相法）优点：在间接合成中由于采用锁相环，它本身就相当于一个中心频率能自动跟踪输入基准频率的窄带滤波器，因此具有良好的抑制寄生信号能力，而且锁相环电路便于数字化、集成化，频率范围宽，调节方便且可在微机控制之下工作。,直接数字频率合成技术DDS,直接数字频率合成技术是一种的全新频率合成方法，是频率合成技术的一次革命，该思想是JOSEPH TIERNEY等3人1971年提出的。,DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A换器和低通滤波器构成。,DDS工作时，频率控制字K在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次，得到的相位值(0-2）；在每一个时钟周期内以二进制码的形式去寻址正弦查询表ROM，将相位信息转变成它相应的数字化正弦幅度值，ROM输出的数字化波形序列再经数模转换器(DAC)实现量化数字信号到模拟信号的转变，最后DAC输出的阶梯序列波；通过低通滤波器(LPF)平滑后得到一个纯净的正弦信号。,参考时钟频率给定后，1、输出信号的频率取决于频率控制字，2、频率分辨率取决于累加器位数，3、相位分辨率取决于ROM的地址位数，4、幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。正是于DDS采用全数字技术，从概念到结构都有很大突破，所以它具有其它频合成所无法比拟的优越性。,其参考时钟和输出频率之间有如下关系：,其中N为相位寄存器的位数，一般为32bit或更高。fr为参考频率，K为频率控制字。可见只要改变K就可得到不同的频率f0.可输出的最小频率即频率分辨力为：,美国模拟器件公司DDS的主要特性,DDS优点：,(l)频率转换快。它的频率转换时间主要由频率控制字状态改变所需的时间及各电路的延时间所决定，转换时间很短。(2)频率分辨率高，频点数多。DDS输出频率的分辨率和频点数随相累加器的位数呈指数增长，分辨率可高pHz，可满足精细频率控制的要(3)相位连续。DDS在改变频率时只需改变频率控制字(即累加器累步长)，而不改变原有的累加值，故改变频率时相位是连续的。(4)相位噪声小。DDS的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声。只参考时钟源的相位噪声小，DDS产生的新频率的相位噪声也小。(5)便于实现复杂方式的信号调制。(6)控制容易，稳定可靠。,DDS缺点：,(1)D/A转换后的频谱中存在大量的镜像信号,需有良好的滤波。(2)合成信号的最高频率有限制。DDS输出信号最高频率只能达到0.4fr。(3)杂散问题。,Instek SFG-830 Function Generator,